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Nanostructuration

Contact : D. GROJO

L’écriture directe par laser est une alternative attractive aux technologies lithographiques pour la micro-fabrication 3D. Cette capacité est encore plus exacerbée avec le contrôle spatial offert par les lasers femtosecondes. Cependant, la tendance générale vers les nanosciences et nanotechnologies rend aujourd’hui nécessaire de répondre aux problématiques de structuration de matériaux à l’échelle du nanomètre. Puisque la limite de diffraction ne permet pas de focaliser des ondes propagatives sur des dimensions plus petites que typiquement une demi-longueur d’onde, le laboratoire LP3 développe, entre autres, des approches de diffusion lumineuse en champ proche pour convertir ondes propagatives en énergie lumineuse extrêmement localisée. Dans la pratique, un masque formé d’une monocouche de microsphères assemblées sur la surface permet une structuration périodique de la surface (Fig. 1a). A ce titre, on peut ainsi parler de " photolithographie colloïdale ". Le principe de ces travaux s’appuie sur une méthode simple utilisant l’interaction de la lumière laser avec les particules (R=250nm-5µm) pour produire des exaltations de champ proche optique aussi appelés nanojets photoniques (Fig. 2). En tirant bénéfice des propriétés d’auto-assemblage des microsphères, nous produisons ainsi une matrice ordonnée de nano-faisceaux laser à la surface du substrat supportant les sphères. Lorsque des énergies laser modérées sont utilisées, seuls les zones du substrat au contact des nanojets photoniques sont modifiées (Fig. 1c). Après irradiation on trouve ainsi une structuration périodique des cibles à des échelles de l’ordre de 100 nm et dont la nature est fonction de la réponse des matériaux. Fig 1. Perforation périodique d’un film d’oxyde sur silicium. (a) Une monocouche de microsphère auto-assemblée est préparée sur la surface de l’échantillon. (b) Le substrat est illuminé par une impulsion laser UV nanoseconde. L’ablation locale sous les particules s’accompagne une structuration périodique du film d’oxyde fonction de l’enrgie laser utilisée (c). Fig. 2 : (a) Calcul de l’intensité lumineuse autour d’une sphère de silice (n=1,6) de rayon 250 nm irradiée à la longueur d’onde =193 nm (théorie de Mie). (b) Profil d’intensité au niveau de la surface (z=250 nm). L’image montre un contraste d’exaltation du champ optique 28 sous la particule et au voisinage de la surface.

Le développement d’une nouvelle méthode de fabrication de nanomatériaux ou cristaux photoniques 2D a permis de démontrer les potentialités de cette technique. La méthode est présentée sur la figure 3. En utilisant les mêmes lasers et les mêmes particules sphériques (R=250 nm) que ceux utilisés pour les études de décontamination (voir ci-dessus), un film mince d’alumine est perforé de manière périodique (fig. 4b). La membrane poreuse d’alumine ainsi réalisée est ensuite utilisée comme masque de dépôt (fig. 4c) pour laisser, après dissolution de la membrane, des nano-plots répartis de manière ordonnée sur la surface. La figure 4d montre des images MEB et AFM d’une telle surface obtenue avec un dépôt d’or réalisé par pulvérisation laser (PLD) dans les pores d’alumine. Au final, on retrouve ainsi sur la surface de silicium des structures de diamètre 100 nm correspondant au pouvoir de focalisation des sphères utilisée (voir fig. 2 et 3c) et de hauteur 20 nm correspondant à l’épaisseur du film d’alumine de départ. Fig. 3 : Procédé photonique de nanofabrication LF-PAM (Laser-Fabricated Porous Alumina Membrane) développé en s’appuyant sur la structuration (perforation parallèle) d’un film mince par l’utilisation d’une monocouche de sphères assemblées (a+b). Les réalisations en utilisant ce film comme masque de dépôt (c) sont montrées par imagerie MEB et AFM (d).

Cette méthode rend la fabrication des structures plus flexibles que les techniques électrochimiques connues. Les techniques actuelles permettant la réalisation de membranes poreuses d’alumine s’appuient sur les approches d’anodisation chimique qui peuvent s’avérer longues et difficiles à maîtriser. Ici, nous démontrons donc que la fabrication de nanostructures métalliques est réalisable en utilisant exclusivement des techniques photoniques (à l’exception de la dissolution de la membrane). Cette approche reste générale et peut être appliquée à une grande variété de métaux, semi-conducteurs ou d’oxydes complexes du fait de l’utilisation de la technique PLD pour l’étape de dépôt. Les réalisations obtenues permettent de viser de nombreuses applications allant des nanocapteurs (chimiques et biologiques) aux cellules photovoltaïques.

PEPS Nanodrill Le laboratoire LP3 s’est associé a deux équipes de l’institut Fresnel (Marseille) dans le cadre d’un Projet Exploratoire Pluridisciplinaire du CNRS se concentrant sur les potentialités de cette méthode pour des applications en biophotonique. Il associe trois partenaires aux compétences complémentaires pour aborder efficacement les différents thèmes de cette problématique : la modélisation du champ autour des billes pour le design des masques de particules optimisés (IF-CLARTE), la nano-structuration des surfaces par laser impulsionnel (LP3) et l’utilisation des nano-structures dans le domaine de la biophotonique (IF-MOSAIC).

ANR FELINS " Femtosecond Laser Interaction and Nanostructuring " Ce projet, sélectionné dasn le cadre du programme " ANR Blanc 2010" est mené en collaboration avec le CPMOH et l’ISM (Bordeaux). Notre objectif dans ce projet est de présenter et définir un nouveau procédé pour élaborer des matériaux multi-échelles pour l’optique. L’inscription directe avec des lasers impulsionnels ultra-courts associée à des verres photosensibles spécifiques nous permettra une structuration à l’échelle nanométrique, mésométrique (100 nm) et micrométrique. Cette approche mixte, à la fois ascendante (assemblage nanobrique par nanobrique) et descendante (du matériau massif vers la structuration nanométrique), mènera à une rupture technologique dans la structuration en 2D et 3D des matériaux pour des applications en photonique.

References :
- D. Grojo, A. Cros, Ph. Delaporte, M. Sentis, "Experimental investigation of ablation mechanisms involved in dry laser cleaning", Applied Surface Science, 253 (2007) 8309-8315
- A. Pereira, D. Grojo, M. Chaker, Ph. Delaporte, D. Guay, M. Sentis, "Laser-fabricated porous alumina membrane (LF-PAM) for the preparation of metal nanodot arrays", Small, 4 (2008) 572-575
- A.V. Kabashin, Ph. Delaporte, A. Pereira, D. Grojo, R. Torres, Th. Sarnet, M. Sentis, "Nanofabrication with pulsed lasers", Nanoscale Research Letters, 5 (2010) 454-463